2.8 Гашение электрической дуги с помощью полупровод­никовых приборов

Бесконтактная коммутация. При боль­шом числе коммутаций в час возрастает износ контактов при обычной дуговой коммутации. Для повышения износо­стойкости контактов используются полупроводниковые приборы — тиристоры, транзисторы и диоды.

Тиристор является управляемым полупроводниковым вентилем. На рис. 2.10, а показано условное обозначение тиристора: А - анод; К - катод; У - управляющий элек­трод. На управляющий электрод подается положительный потенциал, относительно катода.

Рис. 2.10. - Применение тиристоров в электрических аппаратах:

а – условное графическое обозначение; б – встречно-параллельное включение тиристоров в цепи переменного тока: в – симистор; г – ВАХ – вольтамперная характеристика тиристора; д – релейный элемент на тиристоре.

Н

37

а рис. 2.10, б показаны два тирирстора, включенных в цепь переменного тока. На рис. 2.10, в показан симистор, представляющий собой сдвоенный тиристор. Симистор обладает свойствами двух тиристоров по схеме рис. 2.10, 6. Ток управления подается на управляющий электрод. При отсутствии сигнала уп­равления (Iу=0) и U_max< тиристор имеет большое конечное сопротивление и через нагрузку протекает не­большой ток (ветвь 1 на рис. 2.10,г). Если U_max< то тиристор открывается и через нагрузку течет ток Iн, оп­ределяемый ее сопротивлением. При номинальном токе уп­равления переход на ветвь 2 происходит по штри­ховой кривой. Таким образом, при отсутствии тока управления Іу =0 тиристор ведет себя как очень большое активное сопротивление, при наличии номинального тока управления - как очень малое сопротивление. После прохождения переменного тока через нуль тиристор восстанавливает свои вентильные свойства, цепь тока обрывается.

На рис. 2.10,д показана схема релейного элемента на тиристоре. При отключенном К тиристор VS закрыт и ток в нагрузке R_n равен 0. При включении К положительный ток управления Іу подается, на управляющий электрод ти­ристора и он открывается. Через нагрузку протекает ток . В следующий полупериод тиристор закрывается и ток Ін=0. Диод VD защищает тиристор от отрицательного тока управления. В настоящее время применяются так называе­мые гибридные схемы коммутаторов на тиристорах (рис. 2.11). Главные контакты ГК, рассчитанные на пропускание номинального тока и тока КЗ, шунтированы встречно включенными тиристорами VS1 и VS2. В цепь ГК включен трансформатор тока ТА, вторичные обмотки которого через диоды VD1 и VD2 подключены к управляющим электродам тиристоров. На эти электроды должен подаваться только положительный сигнал относительно катода. В каждом плече схемы включены стабилитроны VD3— VD6 для огра­ничения сигнала. Конденсатор СЗ и резистор R4 облегчают условия восстановления напряжения на тиристорах. Во включенном положении аппарата ГК замкнуты и на вто­ричных обмотках трансформатора тока присутствует сигнал управления. Пусть в данный положительный полупериод тока положительный, сигнал управления подается на тиристор VS1 и он подготавливается к открытию. В этот момент тиристор VS2 закрыт, так как к нему приложено напряжение обратной полярности. Благодаря диоду VD2 сигнал управления на этот тиристор не подается.

Рис. 2.11 - Схема полюса гибридного коммутатора переменного тока

Д

39

ля протекания тока через тиристор напряжение между катодом и анодом должно быть не менее 1—2 В. Переходное сопро­тивление Г К мало, и падение напряжения на них и пер­вичной обмотке трансформатора составляет доли вольта. Поэтому, несмотря на то, что на тиристор VS1 подан открывающий сигнал, он остается закрытым. При размыкании ГК напряжение на дуге достаточно для открытия тиристора VS1 и ток переходит в его цепь. Поскольку ток в первичной обмотке трансформатора прекратился, сигнал, открываю­щий тиристор, стал равным нулю. Однако ток через тирис­тор продолжает протекать до своего естественного нулево­го значения. При прохождении тока через нуль тиристор закрывается и отключение цепи заканчивается. Если контакты расходятся в отрицательный полупериод, то подоб­ным образом работает тиристор VS2. Процесс перехода тока в цепь тиристора показан на рис. 2.11,б. Здесь ток ти­ристора обозначен , ток ГК - , напряжение на ГК напряжение восстанавливающееся на тиристоре, . В мо­мент начинается переход тока в цепь тиристора. В мо­мент t₂ процесс перехода тока закончен и ток цепи полностью переходит в тиристор. Длительность перехода тока определяется параметрами тиристора и его цепей уп­равления, а также активным сопротивлением и индуктив­ностью цепи ГК. Длительность горения дуги ГК составля­ет малую долю полупериода, что резко ограничивает их износ. Электрическая износостойкость ГК приближается к механической. При прохождении тока через нуль в мо­мент времени t₃ тиристор закрывается. Длительность про­текания тока через тиристор не превышает полупериода. В таком режиме тиристор выдерживает ток, значительно больший номинального. Это позволяет использовать тири­сторы на небольшие номинальные токи (по сравнению с то­ком КЗ цепи), что уменьшает габаритные размеры и стои­мость аппарата.

Описанная схема используется и в аппаратах высокого напряжения. Поскольку номинальное напряжение тиристо­ров не превышает 1,5 кВ, то в этих случаях используется цепочка последовательно включенных тиристоров. Достоинствами рассмотренной схемы являются простота, высокая надежность и облегченный режим работы тиристоров. К недостаткам можно отнести увеличение стоимости и габаритов, отсутствие гальванической развязки между сетью и нагрузкой после отключения. В схеме на рис. 2.12 глав­ные контакты ГК шунтированы цепями дугогасительных контактов 1 и 2. В цепь контактов 1, 2 включены дио­ды VD1, VD2 и синхронизирующие электромагниты 3, 4, имеющие обмотки тока. После размыкания Г К ток цепи перебрасывается в цепь диода VD1 или VD2 в зависимости от полярности тока. При указанном на рисунке направле­нии ток І протекает через электромагнит 3 и его якорь удерживает контакты 1 замкнутыми. При подходе тока к нулю сила электромагнита уменьшается и контакты 1 размыкаются. Таким образом, дуга возникает вблизи нуля тока и горит кратковременно, что уменьшает ее энергию, облегчает гашение и снижает износ контактов. После прохождения тока через нуль диод находится в непроводящем состоянии, что облегчает процесс восстановления напряжения на промежутке, так как восстанавливающееся напряжение в основном приложено к диоду (R_обр ). Процесс отключения заканчивается. Контакторы с диодной коммутацией созданы на напряжение до 1140 В и ток до 250 А. Применяемые в таких устройствах кремниевые диоды более дешевы, чем тиристоры, и допускают 15—16-кратную токовую перегрузку в течение 0,01 с. Большим достоинст­вом схемы является отсутствие гальванической связи на­грузки и сети после отключения.

Рис. 2.12 - Силовая цепь коммутационного устройства с диодами для

гашения дуги